魚(yú)雷罐罐體溫降與內(nèi)襯厚度關(guān)系特性分析

楚化強(qiáng)，馮　艷，顧明言，陳　光，徐　靖，單　佳（.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山4300；.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽馬鞍山4303）

魚(yú)雷罐罐體溫降與內(nèi)襯厚度關(guān)系特性分析

楚化強(qiáng)1，馮艷1，顧明言1，陳光1，徐靖2，單佳1
（1.安徽工業(yè)大學(xué)能源與環(huán)境學(xué)院，安徽馬鞍山243002；2.河海大學(xué)文天學(xué)院，安徽馬鞍山243031）

以某鋼廠320 t魚(yú)雷罐為研究對(duì)象，利用Fluent軟件建立三維傳熱數(shù)學(xué)模型，考慮罐體物性參數(shù)隨溫度變化的非線性、輻射的非線性等因素，模擬實(shí)際生產(chǎn)狀況下魚(yú)雷罐罐體及罐殼的溫度場(chǎng)，分析魚(yú)雷罐內(nèi)襯溫度分布隨時(shí)間的變化關(guān)系及工作層厚度對(duì)溫降的影響。結(jié)果表明：魚(yú)雷罐外殼溫度隨時(shí)間的增加而降低；初始狀態(tài)時(shí)，罐體兩端椎體部位溫度高于中間部位的溫度，14 h后內(nèi)罐體椎體部位溫度下降速度大于中間部位溫度下降速度，這是由于罐體兩端椎體部位內(nèi)襯厚度小于中間部位內(nèi)襯厚度，熱量傳遞快；沿厚度由內(nèi)向外方向上，溫度下降幅度愈來(lái)愈小。比較模擬計(jì)算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量的罐體外表面溫度，兩者吻合較好，最大誤差僅為1.32%。

魚(yú)雷罐；內(nèi)襯；厚度；溫度場(chǎng)；數(shù)值模擬

魚(yú)雷罐車是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外大型鋼鐵企業(yè)裝運(yùn)鐵水的專用車［1-2］，能夠把鐵水運(yùn)輸?shù)?0 km外或更遠(yuǎn)的地方，并可通過(guò)短時(shí)間貯存鐵水來(lái)協(xié)調(diào)煉鐵和煉鋼之間出現(xiàn)的不平衡。但是，高爐鐵水溫度的提高，增強(qiáng)了魚(yú)雷罐車內(nèi)襯的高溫輻射和熱沖擊，鐵水、鐵渣與內(nèi)襯接觸發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)、運(yùn)輸過(guò)程中的機(jī)械磨損等均會(huì)影響魚(yú)雷罐的使用壽命；倒出鐵水前后的魚(yú)雷罐溫差較大，即冷熱交替溫差大，致使內(nèi)襯材料產(chǎn)生裂紋，內(nèi)襯更易剝落和腐蝕。采用噴吹方式對(duì)鐵水進(jìn)行處理時(shí)（即脫硅、脫磷、脫硫，同時(shí)噴入氧氣），也會(huì)加快內(nèi)襯的整體腐蝕［3-5］。內(nèi)襯損壞嚴(yán)重導(dǎo)致鐵水泄露，會(huì)威脅現(xiàn)場(chǎng)工人的生命安全，也會(huì)造成巨大的財(cái)產(chǎn)損失［6-7］，因此，需實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)魚(yú)雷罐內(nèi)襯的損壞情況和殘余厚度。

目前，多數(shù)煉鋼廠主要根據(jù)操作人員的工作經(jīng)驗(yàn)來(lái)檢查和判定魚(yú)雷罐內(nèi)襯使用和損壞情況。亦有學(xué)者對(duì)魚(yú)雷罐內(nèi)襯的監(jiān)測(cè)與判定進(jìn)行了一定的研究，單佳等［8-9］對(duì)魚(yú)雷罐穩(wěn)態(tài)情況下表面溫度與內(nèi)襯厚度的關(guān)系進(jìn)行了模擬，并對(duì)非穩(wěn)態(tài)情況進(jìn)行了初步研究；宋利明等［10］介紹了魚(yú)雷罐內(nèi)襯溫度監(jiān)測(cè)技術(shù)，并測(cè)量魚(yú)雷罐改裝前后運(yùn)行變化；宋飛［3］針對(duì)寶鋼320 t魚(yú)雷罐分析了爐內(nèi)各部分內(nèi)襯的損毀狀況，并給出了相應(yīng)對(duì)策；齊暉［11］利用ANSYS軟件對(duì)寶鋼魚(yú)雷罐進(jìn)行了傳熱與應(yīng)力分析。針對(duì)罐體物性參數(shù)隨溫度變化的非線性、輻射的非線性等因素，筆者以某鋼廠320 t魚(yú)雷罐為研究對(duì)象，結(jié)合計(jì)算機(jī)模擬和紅外熱像檢測(cè)技術(shù)，探索魚(yú)雷罐內(nèi)襯溫度分布隨時(shí)間的變化關(guān)系及工作層厚度對(duì)溫降的影響，探索魚(yú)雷罐內(nèi)襯殘余厚度及損壞情況的在線監(jiān)測(cè)方法。

1　數(shù)值模擬

1.1模型建立及網(wǎng)格劃分

魚(yú)雷罐罐體尺寸及網(wǎng)格劃分如圖1，該魚(yú)雷罐由走行端耳軸、罐體、罐口及從動(dòng)端耳軸等組成。設(shè)計(jì)溫度為1 450℃，設(shè)計(jì)容量為320 t（新罐）、370 t（舊罐），運(yùn)行速度為15 km/h，內(nèi)襯材質(zhì)為鋁-碳化硅-碳磚、黏土磚，高鋁澆注料。為保證計(jì)算精度并盡可能節(jié)省計(jì)算時(shí)間，采用文獻(xiàn)［8，12］類似的方法對(duì)罐體進(jìn)行非均勻網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格類型為TGrid類型。

圖1　魚(yú)雷罐罐體模型的整體結(jié)構(gòu)及網(wǎng)格劃分Fig.1 Overall structure and the meshing of torpedo car model

1.2溫度場(chǎng)模擬計(jì)算

魚(yú)雷罐的空罐時(shí)間會(huì)影響鐵水的溫降，隨空罐時(shí)間的延長(zhǎng)鐵水溫降增大，這對(duì)煉鋼的能耗和質(zhì)量有一定的影響［13］。因此模擬魚(yú)雷罐倒出鐵水后的冷卻過(guò)程對(duì)魚(yú)雷罐實(shí)際使用周期的制定具有重要意義。文中模擬的魚(yú)雷罐結(jié)構(gòu)如圖2。

取1，2，3，4，5，6六個(gè)部位的外壁溫度，相應(yīng)6個(gè)部位內(nèi)襯殘余厚度分別為137，137，167，200，272，182 mm。

圖2　魚(yú)雷罐模型的結(jié)構(gòu)及內(nèi)襯殘余厚度分布情況Fig.2 Structure and residue lining thickness distribution of torpedo car model

1.3邊界條件

非穩(wěn)態(tài)模擬的初始條件（τ=0 h）參數(shù)采用穩(wěn)態(tài)傳熱模擬的結(jié)果，即初始時(shí)刻罐體的內(nèi)壁溫度為1 573 K，外壁溫度分布是穩(wěn)態(tài)時(shí)的溫度分布。倒出鐵水的空罐在空氣中自然冷卻，主要考慮內(nèi)壁、罐口和空氣的輻射換熱。由于罐口的面積較小，采用第三類邊界條件來(lái)研究?jī)?nèi)壁和罐口的輻射換熱［14］，內(nèi)壁熱流密度qw的經(jīng)驗(yàn)公式如

其中：A1=1.538 6 m2，表示罐口面積；A2=66.247 6 m2，表示魚(yú)雷罐內(nèi)壁的面積；T1取400 K，表示罐口空氣溫度；T2表示內(nèi)壁溫度。采用第三類邊界條件來(lái)研究魚(yú)雷罐外壁與空氣間的對(duì)流、輻射換熱，則散熱系數(shù)αn可由經(jīng)驗(yàn)公式（2）表示

式中：Tw為外壁溫度，K；Ta為空氣溫度，取293 K。采用C語(yǔ)言對(duì)式（1），（2）進(jìn)行編程，并通過(guò)Fluent中的UDF （User-Defined Function）功能導(dǎo)入Fluent中進(jìn)行數(shù)值模擬。文中對(duì)某鋼廠320 t魚(yú)雷罐（部位1，2，3，4，5，6的內(nèi)襯殘余厚度分別為137，137，167，200，272，182 mm）鐵水倒出后的自然冷卻過(guò)程進(jìn)行非穩(wěn)態(tài)模擬和分析。

2　結(jié)果與討論

2.1外壁溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

圖3為罐體外壁在不同時(shí)刻的溫度圖。從圖3可看出，罐體6個(gè)部位的外壁溫度隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)而降低，這與罐體實(shí)際冷卻過(guò)程相符。τ=0～6 h內(nèi)罐體錐體部位的溫度高于中間部位的溫度，τ=8 h時(shí)錐體部位和中間部位的溫度比較接近，τ=10～14 h時(shí)椎體部位的溫度低于中間部位的溫度，在整個(gè)過(guò)程中椎體部位溫降（120 K）大于中間部位溫降（53 K），這是由于罐體兩端椎體部位內(nèi)襯厚度小于中間部位內(nèi)襯厚度所致。

圖3　罐體冷卻過(guò)程中外壁溫度變化Fig.3 Change of outer wall temperature during the torpedo car cooling process

魚(yú)雷罐6個(gè)部位外壁溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系如圖4。由圖4可知：在τ=0～2 h內(nèi)罐體內(nèi)壁的溫度較高，并向外壁傳熱，所以6個(gè)部位外壁的溫度變化較慢；在τ=2～14 h之間外壁溫度變化較快且隨時(shí)間的變化接近線性，這為推算不同時(shí)刻外壁溫度提供了依據(jù)；部位1和2外壁溫度隨時(shí)間的降幅最大，部位5外壁溫度的降幅最小，分別為9.6，10.5，4.2 K/h。這主要是因?yàn)?個(gè)部位內(nèi)襯厚度不同，內(nèi)襯厚度最小的部位1和2熱量傳遞快，內(nèi)襯厚度最大的部位5熱量傳遞慢。

圖4　罐體6部位外壁溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.4 Relationship between the temperatures of 6 parts of the outer wall in torpedo car and time

2.2內(nèi)襯溫度隨時(shí)間的變化規(guī)律

限于篇幅，文中僅給出最易受損的底部情況，即部位6處。不同時(shí)刻部位6沿內(nèi)襯由內(nèi)向外方向上的溫度分布如圖5。為清楚了解溫度變化規(guī)律，將圖5的曲線總結(jié)為表1～3。由表1可看出，穩(wěn)態(tài)模擬時(shí)永久層（黏土磚）溫度梯度最大，工作層（鋁碳化硅碳磚）溫度梯度次之，高鋁質(zhì)澆注料溫度梯度最小。這主要是因?yàn)閮?nèi)壁溫度高、罐口小與空氣之間的輻射對(duì)流換熱較少，外壁在環(huán)境溫度下散熱快。由表2可知，在τ=0～14 h之間，內(nèi)壁溫度降幅最大，外壁溫度降幅最小，且沿著內(nèi)壁到外壁的方向降幅依次減小，這主要是因?yàn)閮?nèi)壁溫度高且與罐口的空氣進(jìn)行對(duì)流和輻射換熱量大造成的。此外，內(nèi)壁溫度的降幅隨時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸減小，這與表3所示一致。

圖5　部位6內(nèi)襯溫度隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 Varying of the 6th lining temperature with time

表1　τ=0 h時(shí)不同材料內(nèi)外側(cè)溫度Tab.1 Outside and inside temperatures of different materials in the time ofτ=0 h

表2　τ=0，14 h時(shí)不同位置處溫度及溫降（K）Tab.2 Temperature and its drop at different locations inτ=0，14 h（K）

表3　不同時(shí)間段內(nèi)內(nèi)壁的溫度變化率Tab.3 Rate of temperature change in the inner wall at different time periods

2.3模擬與實(shí)測(cè)比較

圖6為魚(yú)雷罐空罐冷卻14 h后采用Fluke紅外熱像儀附帶的Smart View軟件導(dǎo)出的6個(gè)部位外壁溫度測(cè)量值。同時(shí)使用Fluent的后處理軟件Tecplot導(dǎo)出上述6個(gè)部位外壁溫度的模擬值。表4為6個(gè)部位的外壁溫度測(cè)量值和模擬結(jié)果。

圖6　罐體底部表面紅外溫度（℃）Fig.6 Infraredtemperatureatthebottomofthecarsurface（℃）

表4　6個(gè)部位外壁實(shí)測(cè)與模擬溫度Tab.4 Measured and simulated temperatures of the outer wall of 6 parts

由表4可見(jiàn)，6個(gè)部位外壁溫度實(shí)測(cè)值與模擬值間的誤差均小于5%，最大誤差僅為1.32%。模擬結(jié)果可用來(lái)預(yù)測(cè)魚(yú)雷罐實(shí)際冷卻過(guò)程中溫度變化和分布，驗(yàn)證了本文建立模型是正確的。將Fluke紅外熱像儀獲得的圖像導(dǎo)入Matlab中，轉(zhuǎn)化為三維圖像，如圖7。圖7表明罐體底部紅外三維可視化技術(shù)可便捷展示各處溫度分布，由此可根據(jù)魚(yú)雷罐外壁溫度與內(nèi)襯的關(guān)系，來(lái)判斷內(nèi)襯是否需要更換。

3　結(jié)　論

利用Fluent軟件模擬某鋼廠320 t魚(yú)雷罐某次倒出鐵水后的自然冷卻過(guò)程，并將結(jié)果與實(shí)測(cè)值進(jìn)行比較分析。

1）隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，罐體外壁的溫度逐漸降低，且隨著內(nèi)襯厚度的減小外壁溫度下降速率增大。

2）罐體外壁溫度在0～2 h內(nèi)下降速率較小，在2～14 h內(nèi)與時(shí)間接近線性變化關(guān)系，這為推算不同時(shí)刻外壁溫度提供了依據(jù)。

圖7　罐體底部紅外熱像圖及三維可視化Fig.7 Infrared thermal image and 3D visualization of car bottom

3）沿內(nèi)襯從內(nèi)到外的方向，溫度的降幅愈來(lái)愈小。隨著冷卻時(shí)間的延長(zhǎng)，內(nèi)壁溫度下降速度逐漸變小，外壁溫度降低比較緩慢。

4）對(duì)比罐體底部表面溫度模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果，兩者誤差較小，表明所建模型是正確的，模擬結(jié)果可用來(lái)預(yù)測(cè)魚(yú)雷罐實(shí)際冷卻過(guò)程中溫度變化和分布。開(kāi)發(fā)了罐體底部紅外溫度三維可視化技術(shù)，該技術(shù)可便捷展示各處溫度分布。

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責(zé)任編輯：何莉

Analysis of the Relationship Between Temperature Drop and Inner Lining Thickness of Torpedo Car

CHU Huaqiang1，F(xiàn)ENG Yan1，GU Mingyan1，CHEN Guang1，XU Jing2，SHAN Jia1
（1.School of Energy and Environment，Anhui University of Technology，Ma'anshan 243002，China；2.Wentian College，Hehai University，Ma'anshan 243031，China）

Take a 320 t torpedo car as the research object，a three-dimensional heat transfer mathematical model was established with the Fluent software，and the temperature field of the body and the car shell under actual production conditions were simulated，in which non-linear change of physical parameters with the temperature change and the radiation was considered.The changing of temperature distribution of torpedo car inside lining with time and the effect of lining thickness on the temperature drop were analyzed.The results show that temperature of the external shell decreases with time increasing.In the initial state，the temperatures of vertebral body parts on both ends of car are higher than those of the middle parts.14 h later，the vertebral body parts temperatures drop faster than those of the middle parts，which is because the lining thickness of the vertebral body parts on both ends of car is less than that of the middle，and the heat transfer is fast.The temperature drop is decreased gradually along the thickness from the inside to the outside.By comparing the measured temperature of the external shell and the calculated result，the two agree well，the maximum error is only 1.32%.

torpedo car；inner lining；thickness；temperature field；numerical simulation

TK124

Adoi：10.3969/j.issn.1671-7872.2016.02.001

1671-7872（2016）02-0095-05

2015-11-23

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開(kāi)發(fā)專項(xiàng)（2012YQ220119）；安徽工業(yè)大學(xué)青年科研基金項(xiàng)目（QZ201302）；安徽省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（1408085QE100）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51306001，51376008）

楚化強(qiáng)（1982-），男，山東菏澤人，副教授，主要研究方向?yàn)槿紵龣z測(cè)及傳熱分析。